Poškození plic nesprávnou strategií umělé plicní ventilace v experimentální studii

Overview

Úvod:
Cílem bylo zjistit, zda nesprávná strategie v horizontu 60 minut poškodí plíce a ověřit možnosti ovlivnění kongesce v plicním žilním řečišti a prevence komplikací umělé plicní ventilace.

Typ studie:
Komparativní, uzavřená, randomizovaná, dvojitě zaslepená.

Místo:
Lékařská fakulta UK v Plzni, experimentální laboratoř.

Materiál a metodika:
Se souhlasem etické komise bylo do studie zařazeno 20 selat prasete domácího, stáří 6 týdnů, průměrné hmotnosti 28 kg (rozmezí 26–33 kg). V celkové anestezii byla selata ventilována 60 minut dvěma rozdílnými strategiemi a rozdělena do 4 skupin. Kontrolní skupina A – dechový objem VT_in 7 ml/kg, bez operace (n = 4), skupina B – VT_in 7 ml/kg s aneuryzmatem aorty (n = 8), skupina C – VT_in 14 ml/kg s aneuryzmatem aorty, skupina D – VT_in 14 ml/kg, aneuryzma aorty a dopamin (n = 4). Sledována byla plicní mechanika, předtížení srdečních komor a kvalita krevního oběhu. Po odběru plicní tkáně, krve a fotodokumentaci byla zvířata utracena. Vzorky tkáně plic byly histologicky vyšetřeny a v séru stanoveny kontrolní hladiny solubilních adhezivních molekul (CAMs).

Výsledky:
Po 60 minutách nesprávné strategie ventilace (skupiny C a D) došlo k difuznímu alveolárnímu poškození, klesla dynamická plicní poddajnost (dC; p <0,05) a stoupl tlak v plicnici (PAP; p <0,01), předtížení obou komor (CVP; p <0,01 a PAoP; p <0,001) i hladiny solubilních adhezivních molekul (CAMs; p <0,05). Ve skupině D byly nižší CVP (p <0,05), PAoP (p <0,05) a CAMs (p <0,01).

Závěry:
Nesprávná strategie ventilace po 60 minutách poškodila plíce, snížila kvalitu krevního oběhu a indukovala zánětlivou reakci. Dopamin snížil kongesci v žilním řečišti a zánětlivou reakci. Protektivní strategie ventilace nezpůsobila komplikace.

Klíčová slova:
dechový objem, difuzní alveolární poškození, žilní kongesce, zánětlivá reakce

Úvod

U kriticky nemocných dětí je umělá plicní ventilace metodou volby pro podporu nebo náhradu funkce respiračního systému. Hodnota dechového objemu má rozhodující význam pro efektivitu umělé plicní ventilace. Děti jsou často ventilovány vysokými objemy a tlaky v ve snaze udržet nebo zvýšit saturaci hemoglobinu. Zlepšení výměny plynů je vždy přechodné a za cenu vysokých dechových objemů, hyperinflace plicních sklípků a poškození pacienta [1].

Studie byla motivována klinickou praxí ve snaze objasnit nevyřešené otázky dětské intenzivní medicíny. Rozhodli jsme se pro experimentální práci, protože vědomě vystavovat kriticky nemocné děti nešetrné ventilační strategii za účelem výzkumu není etické [2]. Ze zvířat střední velikosti má prase domácí s lidmi srovnatelnou anatomii i fyziologii oběhového i dýchacího systému [3–5]. Vybrali jsme selata s vyšším dotížením levé srdeční komory po chirurgickém zákroku jako relevantní zvířecí model zátěže krevního oběhu. Koncept studie vycházel z klinické zkušenosti a publikovaných studií [6–9]. Ve studii byly sledovány funkční i strukturální změny plic, kvalita krevního oběhu a intenzita zánětlivé reakce organismu při dvou rozdílných strategiích umělé plicní ventilace. Protektivní koncept nízkých dechových objemů a podílu kyslíku ve vdechované směsi plynů byl porovnán s nesprávnou strategií umělé plicní ventilace s vysokými dechovými objemy a koncentracemi kyslíku.

Cílem práce bylo zjistit, zda je možné při nesprávné strategii očekávat poškození plic v horizontu 60 minut, ověřit možnost ovlivnění kongesce v plicním žilním řečišti a prevence komplikací umělé plicní ventilace.

Materiál a metodika

Komparativní, uzavřená, randomizovaná a dvojitě slepá studie proběhla se souhlasem etické komise a v souladu s Vyhláškou č. 311/97 Sb., §12 „O chovu a využití pokusných zvířat“ na akreditovaném experimentálním pracovišti Lékařské fakulty Univerzity Karlovy v Plzni.

Experimentální model

Náhodným výběrem bylo do studie zařazeno celkem 20 klinicky zdravých selat prasete domácího z kontrolovaného chovu, šest týdnů starých, průměrné hmotnosti 28 kg (rozmezí 26–33 kg).

Zajištění zvířat a celková anestezie

Po kombinované intramuskulární premedikaci (atropin 0,07 mg/kg a azaperon 5,0 mg/kg) byl zajištěn periferní žilní vstup na ušním boltci zvířete kanylou. Po standardním úvodu do anestezie (thiopental 10,0 mg/kg) byla všechna zvířata orotracheálně intubována kanylou s okluzní manžetou (ID 5,5 mm). V pokračující anestezii byla všem punkčně kanylována v. jugularis interna, zaveden sheath (5 F) a modifikovaným termodilučním katétrem typu Swan-Ganz (polyuretan; 4 F) provedena pravostranná srdeční katetrizace. Správné uložení katétru v zaklínění plicnice bylo ověřeno sonograficky a tlakovou křivkou na monitoru. Infuzní pumpou byly podávány infuze krystaloidů (1/1 H). Vybrané skupině zvířat byl lineárním dávkovačem kontinuálně podáván dopamin v dávce 3,0 µg/kg/min. Seldingerovou metodou byla v celkové anestezii punkčně zavedena arteriální linka do abdominálního úseku aorty nad odstupem renálních tepen (polyuretan; 22 G). Hodnoty systémového arteriálního tlaku byly snímány monitorem. K umělé plicní ventilaci trvalým pozitivním tlakem byl použit ventilátor Siemens Elema 900 v konstantně nastaveném, řízeném a tlakem kontrolovaném režimu se směsí kyslíku a vzduchu. Intravenózní celková anestezie byla vedena kombinací ketamin 1,5–3,0 mg/kg, fentanyl 0,5–1,0 µg/kg a azaperon 3,0–4,0 mg/kg, periferní svalová paralýza jednotlivými intravenózními aplikacemi pancuronia v dávkách 0,1–0,2 mg/kg [10]. Hodnoty pulzní oxymetrie byly snímány čidlem na ušním boltci zvířete a měřeny monitorem.

Metoda výzkumu

Celkem 20 selat bylo v celkové anestezii a periferní svalové relaxaci za stejných podmínek ventilováno konvenčním režimem. Dvanáct zvířat bylo ventilováno respektováním zásad „lung protective strategies“ [11, 12] nízkými dechovými objemy (7 ml/kg) a koncentracemi kyslíku, 8 selat vysokými dechovými objemy (14 ml/kg) a koncentracemi kyslíku ve vdechované směsi plynu (FiO₂) za účelem dosažení hyperinflace a poškození plicních sklípků. Třicet minut po zavedení invazivních vstupů a stabilizaci zvířat, intervalu zotavení, byla studie zahájena (čas -1). V době zahájení (čas -1) a po 60 minutách umělé plicní ventilace (čas -2) byly každému zvířeti měřeny parametry dynamické plicní mechaniky, předtížení obou srdečních komor a standardní parametry krevního oběhu. Závěrem studie byly zvířatům odebrány kontrolní krevní vzorky pro stanovení solubilních adhezivních molekul v séru, v pokračující celkové anestezii byla provedena torakotomie, fotodokumentace plic a z oblasti obou dorzobazálních laloků byly odebrány vzorky plicní tkáně k histologickému zpracování.

Plicní ventilace trvalým pozitivním tlakem byla řízena parametry: Počet řízených dechů (respiratory rate; RR; dechy/min), inspirační čas (inspiratory time; T_in; s), inspirační tlak (inspiratory pressure; P_in; cmH₂O), pozitivní end-exspirační tlak (positive end-expiratory pressure; PEEP; cmH₂O) a frakce kyslíku ve vdechované směsi (inspiratory fraction of oxygen; FiO₂). Z ventilátoru byla odečítána data dynamické plicní mechaniky: Vrcholový inspirační tlak (peak of inspiratory pressure; PIP; cmH₂O), střední tlak v dýchacích cestách (mean pressure in airways; P_aw; cmH₂O), inspirační dechový objem (inspiratory tidal volume; VT_in; ml/kg), minutový dechový objem (minute volume; MV; ml/min). Dynamická plicní poddajnost byla vypočtena (dynamic lung compliance; _dC; ml/cmH₂O).

Pro hodnocení předtížení srdečních komor a krevního oběhu byla měřena srdeční pulzová frekvence (heart rate; HR; pulzy/min), systolický a diastolický systémový arteriální tlak (invasive blood pressure; IBP; mm Hg) a střední tlaky: Centrální žilní tlak (central venous pressure; CVP; cmH₂O), v pravé síni srdeční (right atrial pressure; RAP; cmH₂O), v pravé komoře (right ventricle pressure; RVP; cmH₂O), ve kmeni plicnice (pulmonary artery pressure; PAP; cmH₂O) a okluzní tlak v zaklínění plicnice (pulmonary artery occlusive pressure; PAoP; cmH₂O) [13].

V plazmě zvířat byly v čase -1 a čase -2 studie stanoveny lymfocyty aktivované intercelulární (intercellular adhesive molecules; ICAM) a cévním endotelem aktivované vaskulární solubilní adhezivní molekuly-1 (vascular adhesive molecules; VCAM). Metodou slepého pokusu bylo sérum zvířat zpracováno alogenními prasečími séry (Immunotech-Liana BMS; BMS ICAM/BMS VCAM) a data porovnána s referenčními hodnotami: ICAM 4,94 ± 0,005 ng/ml a VCAM 8,49 ± 0,005 ng/ml.

Z obou dorzobazálních plicních laloků zvířat byly odebrány vzorky plicní tkáně, fixovány 10% pufrovaným roztokem formolu a odeslány k histologickému zpracování. Metodou dvojitého slepého pokusu byly preparáty vyšetřeny elektronovým mikroskopem.

Rozdělení zvířat

Bez chirurgické intervence byla 4 selata, 16 zvířat bylo tři týdny po operačním naložení manžety na abdominální aortu s ultrasonograficky potvrzeným experimentálním aneuryzmatem aorty a vyšším dotížením levé srdeční komory [14].

Skupina A – Kontrolní skupina, dechový objem 7 ml/kg

Čtyři neoperovaná zvířata byla v celkové anestezii a periferní svalové paralýze ventilována 60 minut v nastavení: RR = 24/min, T_in = 0,8 s, P_in = 20 cmH₂O, PEEP = 6 cmH₂O, FiO₂ = 0,21.

Skupina B – Dechový objem 7 ml/kg

Do skupiny bylo zařazeno 8 zvířat s aneuryzmatem aorty, která byla 60 minut řízeně ventilována v nastavení: RR= 24/min, T_in = 0,8 s, P_in = 20 cmH₂O, PEEP = 6 cmH₂O, FiO₂ = 0,21.

Skupina C – Dechový objem 14 ml/kg

Do skupiny byla zařazena 4 selata s aneuryzmatem aorty, která byla 60 minut ventilována v nastavení: RR = 28/min, T_in = 1,2 s, P_in = 30 cmH₂O, PEEP = 4 cmH₂O, FiO₂ = 1,0.

Skupina D – Dechový objem 14 ml/kg s farmakologickou protekcí

Do skupiny byla zařazena 4 zvířata s aneuryzmatem aorty a inotropní podporou krevního oběhu kontinuální infuzí dopamin (3,0 µg/kg/min), zvířata byla 60 minut ventilována v nastavení: RR = 30/min, T_in = 1,2 s, P_in = 30 cmH₂O, PEEP = 4 cmH₂O, FiO₂ = 1,0.

Statistické zpracování

Získaná data byla zaznamenána do PC databáze a statisticky zpracována. Vypočteny byly parametrické hodnoty: průměr (mean), směrodatná odchylka (SD) a 95% interval konfidence (95% CI) s vyjádřením spolehlivosti souboru. Pro porovnání dat mezi skupinami a v jednotlivých skupinách byly použity nepárový t-test a párový Wilcoxonův test.

Ukončení experimentu

Selata byla utracena v souladu s aktuálně platnými předpisy České republiky a EU o práci s laboratorními zvířaty. V pokračující celkové anestezii a periferní svalové relaxaci byl zvířatům intravenózně aplikován kardioplegický roztok (10% Thomas sol.) v průměrné dávce 30 ± 5 ml. Mrtvá těla experimentálních zvířat byla profesionálními pracovníky odstraněna standardním postupem.

Výsledky

Dynamická plicní mechanika

Data dynamické plicní mechaniky v průběhu studie a porovnání hodnot mezi skupinami A–D jsou uvedeny v tabulce 1.

Ve skupině B (n = 8) se hodnoty dynamické plicní mechaniky v čase -1 nelišily od skupiny A. Ve skupině B nedošlo k významným rozdílům dat mezi časem -1 a časem -2.

Ve skupině C (n = 4) byly v čase -1 vyšší hodnoty PIP (t-test 8,02; p <0,01), P_aw (t-test 6,68; p <0,05), VT_in (t-test 11,07; p <0,01), MV (t-test 7,53; p <0,01), _dC (t-test 6,84; p <0,05) v porovnání se skupinou A. Ve skupině C byl v čase -2 vyšší PIP (t-test 4,89; p <0,01).

Ve skupině D (n = 4) byly v čase -1 vyšší hodnoty PIP (t-test 7,32; p <0,01), P_aw (t-test 6,03; p <0,05), VT_in (t-test 5,72; p <0,01), MV 7,8 (t-test 6,63; p <0,01), _dC (t-test 5,2, p < 0,05) než ve skupině A. V porovnání se skupinou B byly vyšší hodnoty PIP (t-test 6,85; p <0,01), P_aw (t-test 6,13; p <0,05), VT_in (t-test 9,79; p <0,01), MV (t-test 6,11; p <0,01) a nižší hodnoty _dC (t-test 7,06; p <0,05). Ve skupině D nebyl mezi časem -1 a časem -2 významný rozdíl dat.

Saturace hemoglobinu kyslíkem (SpO₂) byla v průběhu studie a souhrnu všech dat skupin A–D (n = 40) v mezích referenčních hodnot (96 ± 2,35 %).

Morfologické změny plicní tkáně

Strukturální změny plicního parenchymu byly hodnoceny vizuálně a doloženy histologickým vyšetřením odebrané tkáně.

Zvíře skupiny B, ventilované dechovým objemem 7 ml/kg a plíce z torakotomie jsou na obrázku 1. Elektronový mikroskopický nález plicní tkáně téhož zvířete je na obrázku 2.

Zvíře skupiny C, ventilované dechovým objemem 14 ml/kg a plíce z torakotomie jsou na obrázku 3. Elektronový mikroskopický nález plicní tkáně téhož zvířete je na obrázku 4.

Krevní oběh a předtížení srdečních komor

Získaná data krevního oběhu v průběhu studie jsou ve skupinách A–D uvedena v tabulce 2.

Ve skupině A (n = 4) se data v čase -1 a čase -2 lišila pod hladinou významnosti (t-test 1,17; p = 1,301). Ve skupině B (n = 8) došlo v čase -2 ke zvýšení RVP (t-test -0,82; p <0,01), PAP (t-test -0,73; p <0,01) a PAoP (t-test -0,64; p <0,01).

Ve skupině C (n = 4) byly v čase -1 vyšší hodnoty CVP (t-test 3,8; p <0,01), RVP (t-test 3,47; p <0,01), PAP (t-test 1,04; p <0,01), PAoP (t-test 12,62; p <0,001) než ve skupině A. V čase -2 stouply ve skupině C hodnoty CVP (t-test -0,24; p <0,01), RVP (t-test -0,89; p <0,01), PAP (t-test -0,20; p <0,01) a PAoP (t-test -0,87; p <0,001) a klesly hodnoty IBP (t-test 4,84; p <0,05).

Ve skupině D (n = 4) byly v čase -1 vyšší hodnoty CVP (t-test 9,73; p <0,01), RVP (t-test 11,87; p <0,01), PAP (t-test 7,66; p <0,01), PAoP (t-test 6,52; p <0,05) v porovnání se skupinou A. V porovnání se skupinou B byly ve skupině D vyšší hodnoty CVP (t-test 7,02; p <0,01), RVP (t-test 8,95; p <0,01), PAP (t-test 3,57; p <0,05). V čase -2 ve skupině D byly nižší hodnoty CVP (t-test 6,31; p <0,05) a PAoP (t-test 5,97; p <0,05).

Nesprávná strategie umělé plicní ventilace (skupiny C–D, n = 8) v porovnání s protektivní strategií (skupiny A–B, n = 12) vedla ke zvýšení hodnot CVP (t-test 4,07; p <0,01), PAP (t-test 1,35; p <0,01) a PAoP (t-test 8,43; p<0,05). Ve skupině D byly nižší hodnoty PAoP (t-test 8,89; p <0,01) a vyšší hodnoty IBP (t-test 6,74; p <0,05) v porovnání se skupinou C.

Zánětlivá reakce

Data solubilních adhezivních molekul v průběhu studie jsou uvedena po skupinách A–D v tabulce 3.

V čase -1 byly ve výběru zvířat ventilovaných nesprávnou strategií (skupiny C–D; n = 8) vyšší hladiny ICAM (t-test -1,08; p <0,05) i VCAM (t-test -0,74; p <0,05) v porovnání s výběrem ventilovaných protektivně (skupiny A–B; n = 12).

V čase -2 byly v obou výběrech vyšší hladiny CAMs při porovnání s časem -1. Ve výběru protektivně ventilovaných ICAM (t-test -0,80; p <0,05) a VCAM (t-test 2,86; p <0,05), ve výběru s nesprávnou strategií ventilace ICAM (t-test -1,12; p <0,05) i VCAM (t-test -1,12; p <0,05). Ve výběru s nesprávnou strategií ventilace byl nalezen rozdíl mezi skupinami. Ve skupině D byly nižší hladiny ICAM (t-test 7,15; p <0,01) i VCAM (t-test 13,87; p <0,01) v porovnání se skupinou C.

Změny exprese solubilních adhezivních molekul v průběhu studie a ve skupinách A–D dokumentuje graf 1.

Studie proběhla bez tlakového poškození plic a bez předčasného úhynu experimentálních zvířat.

Diskuse

Každá forma umělé plicní ventilace je v porovnání se spontánním dýcháním ve své podstatě nefyziologická. Naše studie se snažila objasnit nedořešené otázky v oboru intenzivní medicíny, týkající se strategie umělé plicní ventilace.

Ve shodě s klinickými zkušenostmi a publikovanými údaji [11, 12, 15] výsledky naší studie dokumentují, že protektivní strategie umělé plicní ventilace neovlivnila dynamickou mechaniku a morfologii plic, předtížení srdečních komor nebo kvalitu krevního oběhu. Zvířata skupin B–D byla ve studii znevýhodněna vyšším dotížením levé srdeční komory po bandáži a rozvoji experimentálního aneuryzmatu abdominálního úseku aorty. Endotel operované aorty zvířat indukoval expresi vaskulárních solubilních adhezivních molekul pod hladinou statistické významnosti.

Z výsledků klinických i experimentálních studií vyplývá, že nešetrná strategie umělé plicní ventilace parenchym plic „primárně“ traumatizuje mechanicky, fyzikálními vlivy. Poškození plic vysokým tlakem (barotrauma) nebo objemem (volumtrauma) je reálnou komplikací nesprávné strategie umělé plicní ventilace. Difuzní poškození plicních sklípků je projevem poškození plic vysokým dechovým objemem v souvislosti s umělou plicní ventilací. Odborné společnosti je na konsensuálních konferencích přesně definovaly a označily termíny ventilátorem indukované (VILI) nebo zhoršované poškození plic (VALI) [15]. Navazující studie postupně upozornily na příčinné souvislosti periodického střídání hyperinflace s kolapsy plicních sklípků v průběhu ventilace, dekompartmentaci systému [16–18] a expresi solubilních adhezivních molekul. Kombinace nežádoucích mechanických vlivů a vysoké koncentrace kyslíku ve vdechované směsi plynů vyvolává oxidativní stres, urychluje proces destabilizace systému a uvolnění prozánětlivých cytokinů do periferní krve [19–20]. Cirkulující prozánětlivé cytokiny poškozují orgány a systémy, včetně „sekundárního“ poškození plic [21–24]. Poškození plic má v permanentní kardiopulmonální interakci přímý vliv na výkon srdce i kvalitu krevního oběhu [25–28].

Pro potřeby studie jsme vytvořili model nesprávné strategie umělé plicní ventilace kombinací obou zmíněných faktorů, vysokého dechového objemu a koncentrace kyslíku. Ventilační přístroj v průběhu dechového cyklu zaznamenával hodnoty inspiračního a exspiračního dechového objemu, minutového dechového objemu a změny tlaku v dýchacích cestách. Při nesprávné strategii ventilace v průběhu 60 minut vzrostla dynamická rezistence dýchacích cest a klesala hodnota exspiračního dechového objemu i dynamické plicní poddajnosti. Pro udržení hodnot exspiračního dechového objemu bylo nutné upravovat nastavení a zvyšovat inspirační tlak.

Studie prokázala, že umělá plicní ventilace s nesprávnou strategií po 60 minutách byla příčinou snížení dynamické plicní poddajnosti, kongesce v plicním žilním řečišti a difuzního poškození plicních sklípků s nehomogenním snížením vzdušnosti, destrukcí pneumocytů typu 1, tvorbou eozinofilních membrán a buněčnou infiltrací sept. U zvířat bez inotropní podpory krevního oběhu v průběhu studie stouply hodnoty středního tlaku v plicním arteriálním řečišti (p <0,01) a předtížení pravé (CVP; p <0,01) i levé srdeční komory (PAoP; p <0,001). Selata s inotropní podporou krevního oběhu tolerovala vysoké dechové objemy lépe. Z pohledu systémové hemodynamiky byl příznivý pokles předtížení obou srdečních komor (CVP; p <0,05 a PAoP; p <0,05). Klinicky i statisticky nevýznamné bylo zvýšení systémového krevního tlaku a pulzové srdeční frekvence. Výsledky studie podporují hypotézu, že dopamin snižuje kongesci v plicním žilním řečišti a zvyšuje systolickou funkci levé srdeční komory.

Umělá plicní ventilace s nesprávnou strategií indukovala během 60 minut zvýšení plazmatických hladin obou solubilních adhezivních molekul (p <0,05). Ve skupině s inotropní podporou krevního oběhu bylo zvýšení CAMs významně nižší (p <0,01). Otázkou je, zda dopamin ovlivnil expresi solubilních adhezivních molekul zprostředkovaně nebo přímo.

Závěry

Studie splnila vytčené cíle a dokumentovala následující skutečnosti:

Umělá plicní ventilace s vysokým dechovým objemem a koncentrací kyslíku poškodila v průběhu 60 minut funkčně i strukturálně plíce, snížila kvalitu krevního oběhu a vyvolala systémovou zánětlivou reakci. Ventilace nízkým dechovým objemem nezpůsobila žádnou z uvedených komplikací.

Inotropní podpora krevního oběhu přispěla ke snížení kongesce v plicním žilním řečišti a exprese solubilních adhezivních molekul.

Z experimentální studie je možné převzít do klinické praxe pouze poučení: Děti v kritickém stavu by měly být ventilovány s maximální ohleduplností.

Finanční podpora: Výzkumný záměr MŠMT a Lékařské fakulty UK v Plzni č. MSM 0021620819-6096, grant Ministerstva zdravotnictví České republiky č. IGA MZ ČR č. NA/7653-3.

Došlo: 24. 8. 2009

Přijato: 10. 11. 2009

Doc. MUDr. Jiří Kobr, PhD.

Dětská klinika FN Plzeň

Alej Svobody 80

304 60 Plzeň

e-mail: jiri.kobr@lfp.cuni.cz